NiTe₂约瑟夫森结中的棱态超流 | 进展

量子材料中存在的边界态，包括三维拓扑材料中的二维表面态、二维拓扑材料中的一维边缘态以及高阶拓扑材料中的一维棱态、角态等，一直以来都引人关注。最近发现的非常规阻塞（obstructed）原子材料因为拥有阻塞边界态而引起了广泛的研究兴趣，其阻塞态源于这类非常规材料的电子电荷中心与原子位置不重合。这些边界态中的电子往往具有独特的行为，如低耗散的输运、自旋动量锁定及自旋极化等。此外，探索这类边界态中诱导的超导电性对于研究拓扑超导和非常规超导态也具有重要的科学意义。在基于这类材料构建的约瑟夫森结中，体态超流相比于边界态往往更容易被破坏，也易遭受更多退相干因素的影响，因此其边界态可存在更大的超流密度，对其中有效结区的超流密度分布的分析，可以为边界态的存在提供重要的实验证据。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心固态量子信息与计算实验室Q02/HX-Q02组屈凡明研究员、吕力研究员团队与HM-T03组王志俊研究员团队、电子科技大学刘富才教授团队等合作，在基于非常规金属材料NiTe2的约瑟夫森结研究中观测到边界态超流信号，并发现通过施加平行于电流方向的磁场，可以快速抑制体态超流并保留边界态超流，即磁场对超流的“过滤”效应。进一步的理论计算指出NiTe2中存在非常规的阻塞棱态，且理论预测的自旋绑定特性与实验数据相呼应，指向棱态超流的存在。

NiTe2是一种范德华层状材料，研究团队利用胶带解离方法得到薄层材料，通过沉积超导电极构造了约瑟夫森结（图1）。

图1.a.NiTe₂纳米薄片的电阻随温度和磁场的变化及其原子结构图；b.基于NiTe₂的约瑟夫森结，蓝色表示超导电极NbTiN，红色表示NiTe₂；c.NiTe₂约瑟夫森结的I-V曲线，表明存在零电阻的约瑟夫森超流。

在常规的约瑟夫森结中，由于超流密度的均匀分布，临界电流Ic随着垂直磁场Bz的变化会表现出类似单缝衍射的夫琅禾费图案，同时临界超流会随磁场迅速衰减。而在基于NiTe2的约瑟夫森结中却出现了偏离夫琅禾费行为的超导干涉图案（Superconducting interference pattern,SIP），临界超流并未快速衰减（图2a）。

图2.a.约瑟夫森电流随磁场的变化，表现出偏离夫琅禾费行为的超导干涉图案；b.通过a得到的结区超流密度分布图；c和d.随面内磁场增加超导干涉图案的变化；e.NiTe₂约瑟夫森结中超导干涉图案随着磁场Bx的增加，从夫琅禾费图案向SQUID图案演化示意图。

研究团队在分析其中的超流密度分布后发现样品边界存在较大的超流密度（图2b）。更有意思的是，在逐渐增大磁场Bx时，Ic随Bz的变化表现为类似超导量子干涉器（SQUID）的图案，这意味着超流主要在样品的两个边界进行传输（图2c,d,e），即体态超流已被磁场Bx过滤（抑制）。随后，研究团队还发现在一些器件中，零面内磁场时边界态信号较弱甚至几乎没有（体态占主导），SIP表现为类夫琅禾费衍射；即使这样，利用磁场Bx的过滤特性仍可以得到非常干净的边界态超流信号（图3）。

图3.a和b.在NiTe₂约瑟夫森结D2-1和D3-1中，边界态超流成分较弱，体态占主导，在未加磁场Bx时测量到类夫琅禾费行为的超导干涉图案；b和d.D2-1和D3-1施加磁场Bx时测量到的类SQUID图案的超导干涉图案，表明均可以通过的过滤效应得到较纯净的边界态超流。

研究团队的理论计算结果表明NiTe2是一种存在阻塞棱态的非常规金属，约瑟夫森结中的边界态超流信号很可能来自棱态超流（图4）。

图4.a.理论计算的楞态能谱。b.自旋分布示意图。

这种棱态上的电子存在自旋动量锁定，与实验上并未观测到By方向磁场的过滤行为一致。这项研究不仅为研究棱态超流提供了新的材料平台，还提出了一种利用磁场过滤获得纯净边界态超流的方法，为将来棱态超流在非常规超导、复合器件及其应用的研究中提供了新的线索。

相关研究成果以“Magnetic field filtering of the boundary supercurrent in unconventional metal NiTe2-based Josephson junctions”为题发表在Nature Communications上，中国科学院物理研究所Q02/HX-Q02组博士后乐天（已出站）和HM-T03组博士生张锐涵为共同第一作者，Q02/HX-Q02组屈凡明研究员、吕力研究员、 HM-T03组王志俊研究员、电子科技大学刘富才教授为共同通讯作者。上述工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委、中国科学院先导专项、科技创新2030―“量子通信与量子计算机”重大项目、综合极端条件实验装置和材料基因平台等的资助。

编辑：阿泊

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